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Der Zweiphotonenzerfall (2E1) als Testfall des Verständnisses der Struktur schwerer Atome oder Ionen

Schäffer, Heiko W.


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Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: 1. Physikalisches Institut
Fachgebiet: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 06.10.1998
Erstellungsjahr: 1998
Publikationsdatum: 16.11.1999
Kurzfassung auf Deutsch: In dieser Arbeit wird das Phänomen des Zweiphotonenzerfalles als ein Prozeß zweiter Ordnung in starken elektromagnetischen Feldern untersucht. Bei diesem
Prozeß findet ein Übergang zwischen zwei Zuständen unter gleichzeitiger Emission zweier Photonen statt. Die Energien der einzelnen Photonen besitzen eine
kontinuierliche und symmetrische Verteilung mit einem Maximum bei der halben Übergangsenergie.


Seine besondere Bedeutung erhält der Zweiphotonenzerfall durch den Umstand, daß zu seiner Berechnung die komplette Struktur des Atoms bzw. Ions
benötigt wird. Zur Berechnung der Übergnagswahrscheinlichkeit muß über alle möglichen virtuellen Zwischenzustände (gebunden oder kontinuierlich) summiert
werden. Die benötigten Wellenfunktionen und Energien der Zwischenzustände können innerhalb theoretischer Ansätze berechnet werden. Eine exakte Messung
der Energieverteilung erlaubt somit einen Test der theoretischen Vorhersagen. Da diese Vorhersagen unter der Annahme bestimmter Voraussetzungen gefunden
werden, kann man somit auch das Verständnis des physikalischen Problems testen. Die simultane Aussendung zweier E1-Photonen (2E1) als ein Prozeß
höherer Ordnung wurde im Rahmen der Atomphysik für drei unterschiedliche Beispiele untersucht. Das Interesse lag hierbei besonders bei schweren Ein- und
Zweielektronensystemenbzw. bei den analogen Systemen mit einer Vakanz in der Elektronenhülle. Durch Anwendung einer Koinzidenztechnik zum Nachweis
der beiden ausgesendeten Photonen wurde die Spektralverteilung des Prozesses für die jeweiligen Systeme gemessen.


Heliumähnliche Ionen stellen die einfachsten Systeme dar, bei denen man die konkurrierenden Einflüsse von relativistischen Effekten und der
Elektron-Elektron-Wechselwirkung auf die Wellenfunktionen und somit auch auf die Energieverteilung der Photonen des 2E1-Zerfalles untersuchen kann. Um
dies zu untersuchen, wurde die Energieverteilung in He-ähnlichem Nickel (Kernladungszahl Z = 28) bzw. Gold (Z = 79) gemessen. Mit Hilfe einer separat
bestimmten Antwortfunktion der Detektoren konnte hieraus erstmals direkt auf das Matrixelement des Überganges geschlossen werden. Als Erweiterung auf
Vielelektronensysteme ist die Untersuchung der Energieverteilung des 2E1-Zerfalles in Silber (Z = 47) mit einer Innerschalenvakanz zu sehen. Insbesondere
durch die Messung unter zwei verschiedenen Winkeln läßt sich eine erste Aussage über die Winkelverteilung der zwei Photonen in diesen Systemen machen.
Kurzfassung auf Englisch: In this work we are dealing with the phenomenon of two-photon decay as a second order process in strong electromagnetic fields. In this process a transition
between two quantum levels occurs via simultaneous emission of two photons. The energies of the individual photons form a continuous symmetric distribution
with a maximum at half the transition energy.


The two-photon decay is of special importance, because to calculate the transition matrix element the whole structure of the atom is required. To calculate the
transition probability for such a transition summing over all bound and continuum virtual intermediate states is required. The wave functions and the energies of
the intermediate states can be calculated by theory. With a precise measurement of the spectral shape one can test the theoretical predictions. Because these
predictions are found in a model wwith certain prerequsites, we therefore can test our understanding of the physical problem.


In the framework of atomic physics we studied the simultaneous emission of two E1 photons for three different cases. The special interest of this work lies on
heavy one- and two-electron systems or the analogous multi-electron system of an atom with an inner-shell vacancy. The spectral distributions were measured
by a photon-photon coincidence technique. Heliumlike ions are the most simplest systems where the competing influences of electron-electron correlation and
relativistic effects on the wave functions and therfore on the spectral distribution of the two-photon decay can be measured. In this work the spectral
distribution of the two-photon decay in heliumlike nickel (atomic number Z = 28) and heliumlike gold (Z = 79) has been measured. With the response function
of the experimental set-up the matrix element of the two-photon transition could be derived for the first time. For many-electron systems the spectral
distribution of the two-photon decay in silver (Z = 47) with an inner-shell vacancy was performed.


This investigation represents the first experiment showing the angular distribution of the two photons emitted in this process.